真變廢為寶！從廢塑料到高品質(zhì)汽油，這種制備新路徑產(chǎn)率高達(dá)80%

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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聚乙烯塑料已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，從輕便的購物袋到耐用的食品包裝，從時尚的服裝到常用的建筑材料，聚乙烯塑料的廣泛應(yīng)用極大地便利了我們的生活。但是，聚乙烯塑料的使用也帶來了一個不容忽視的問題——廢舊塑料對環(huán)境的污染。

隨著一次性塑料用品使用量的增加，大量的廢舊聚乙烯塑料被丟棄在自然環(huán)境中，這些塑料廢棄物難以降解，會對土壤、水源和生態(tài)系統(tǒng)造成長期的負(fù)面影響。

此外，它們在污染環(huán)境的同時，還威脅著野生動植物的生存，甚至通過食物鏈間接影響人類的健康。那么如何才能實現(xiàn)廢舊聚乙烯塑料的環(huán)?；厥蘸屠媚?？

廢棄塑料

（圖片來源：veer圖庫）

2024年4月9日，中國科學(xué)家在《自然化學(xué)》（Nature chemistry）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于聚乙烯塑料催化轉(zhuǎn)化制備高品質(zhì)汽油的文章，有望實現(xiàn)廢舊聚乙烯塑料的高值利用。

研究成果發(fā)表于《自然化學(xué)》雜志

（圖片來源：《自然化學(xué)》雜志）

聚乙烯變汽油的策略

廢棄塑料的資源化利用不僅可以解決塑料對環(huán)境的污染問題，同時也可以實現(xiàn)資源的綠色可持續(xù)發(fā)展。在廢棄塑料中，聚乙烯的轉(zhuǎn)化難度很大，其非極性的碳碳鍵很難在低溫條件下實現(xiàn)活化和斷裂。

目前已有的聚乙烯轉(zhuǎn)化策略主要是在400℃以上高反應(yīng)溫度、貴金屬催化劑和外加氫源條件下實現(xiàn)，嚴(yán)格的反應(yīng)條件使得這種策略在工業(yè)化化學(xué)回收聚乙烯的應(yīng)用方面受到了限制。

基于聚乙烯醇轉(zhuǎn)化策略面臨的問題，研究者利用四正丁基氫氧化銨為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，采用一步水熱反應(yīng)合成具有層狀自支撐結(jié)構(gòu)（LSP）的分子篩進(jìn)行聚乙烯的催化轉(zhuǎn)化。其中，結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑是在晶體的合成或生長過程中，通過特定的配體或添加劑，在化學(xué)反應(yīng)中引導(dǎo)分子組裝形成高度結(jié)晶化有序結(jié)構(gòu)，從而得到理想的物理和化學(xué)性質(zhì)。層狀自支撐結(jié)構(gòu)是指由陽離子與陰離子通過離子鍵結(jié)合而形成的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)層間具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以在不需要額外支撐的情況下獨立存在。

介孔孔道是指孔徑大小在2-50納米之間的孔道，這些孔道介于微孔和大孔之間，具有高度有序的結(jié)構(gòu)和豐富的表面活性，對催化劑的性能有著重要的作用。該層狀自支撐分子篩具有更大的外比表面積和豐富的介孔孔道，在發(fā)生催化反應(yīng)時能使反應(yīng)物與催化劑充分接觸，提高反應(yīng)速率。路易斯酸位點是指一種化學(xué)物質(zhì)能夠接受電子對的特定位置或區(qū)域，該位點可以實現(xiàn)反應(yīng)物的吸附和活化，從而實現(xiàn)催化的作用。該層狀自支撐分子篩與傳統(tǒng)分子篩材料相比具有獨特的自支撐結(jié)構(gòu)和更多的強(qiáng)路易斯酸位點。分子篩中強(qiáng)路易斯酸位點和形狀選擇性在催化聚乙烯轉(zhuǎn)化時能夠發(fā)揮關(guān)鍵的作用，因此，該層狀自支撐分子篩具有更好聚乙烯催化轉(zhuǎn)化的效果。

催化劑的表征

（a.高分辨透射電鏡圖；b.X射線衍射圖；c.氮氣吸脫附等溫圖；d,e.核磁表征結(jié)果；f,g.紅外表征結(jié)果）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

汽油主要由C4-C12范圍的碳?xì)浠衔锝M成，是烷烴、烯烴和環(huán)烷烴混合物。辛烷值是衡量汽油在氣缸內(nèi)抗爆震能力的一種數(shù)字指標(biāo)，通常用于評價車用汽油的性能，汽油的品質(zhì)與辛烷值正相關(guān)。

汽油辛烷值

（圖片來源：veer圖庫）

實驗結(jié)果表明，該研究制備的層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩（LSP-Z100）在240℃，無外加氫源的條件下，經(jīng)過4小時就可以實現(xiàn)高密度聚乙烯向汽油的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)率超過80%。對其液相產(chǎn)物的檢測結(jié)果表明，C4-C12組分占比高達(dá)99%，支鏈烷烴占比為72%，具有較高的研究辛烷值（88.0），可媲美商業(yè)汽油（86.6）。

以上結(jié)果證明了層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩（LSP-Z100）具備將聚乙烯催化轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)汽油的可行性。該研究為解決廢棄聚乙烯塑料的環(huán)境污染問題以及實現(xiàn)資源有效利用提供了新的路線。

高密度聚乙烯在不同催化劑條件下的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

當(dāng)我們深入思考塑料污染問題時，不難發(fā)現(xiàn)，改變往往始于細(xì)微之處。在我們的日常生活中，減少使用不必要的塑料制品，比如一次性吸管、塑料袋和餐具等，不僅有助于減少廢棄塑料的產(chǎn)生，還能促進(jìn)整個社會的環(huán)保意識提升。

此外，垃圾分類也是減少塑料污染的關(guān)鍵一步。將可回收的塑料與其他垃圾分開，確保它們得到正確地處理，這樣不僅可以減少塑料進(jìn)入自然環(huán)境的機(jī)會，還能促進(jìn)資源的循環(huán)利用。

垃圾分類

（圖片來源：veer圖庫）

參考文獻(xiàn)：

1.Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite[J]. Nature Chemistry, 2024.

2.謝煜斐,王琪,曾軍民,等.廢棄聚乙烯塑料回收再生應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].塑料科技, 2022.

3.張金慶,郭明,張遠(yuǎn)文,等.廢聚乙烯塑料裂解制燃料的研究進(jìn)展[J].石化技術(shù), 2022.

4.Gautam K R .A Novel Process of Converting Polyethylene to Gasoline, Middle Distillate and Heavy Oil through Hydropyrolysis Route[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.